GCC扩展功能、函数，预处理命令

耶耶耶耶耶~

已于 2025-04-19 16:38:52 修改

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分类专栏： C gcc/g++ 其它文章标签： c++ GCC

于 2024-07-07 17:48:33 首次发布

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前言

GCC（GNU Compiler Collection）提供了许多扩展功能，这些功能在标准C和C++中没有定义，但可以提高代码的效率和可移植性。

一、GCC C语言扩展

128位的整数

_int128 i_128;
unsigned _int128 ui_128;

线程私有变量 Thread-local storage (TLS)

// 每个线程会有自己独立的变量a
__thread static int a = 9;

// C++11及之后
std::thread_local

零长度数组

// 可用于定义协议头等
typedef struct line{
  int length;
  char contents[0];
} line;
line* l = (line*)malloc(sizeof(line) + 100)
l->contents[99];

具有可变参数的宏

#define debug1(format, ...) fprintf (stderr, format, __VA_ARGS__)     // debug1("abc") is invalid
#define debug2(format, args...) fprintf (stderr, format, args)        // debug2("abc") is invalid
#define debug3(format, ...) fprintf (stderr, format, ## __VA_ARGS__)  // debug3("abc") is valid

struct和数组指定初始化

int a[6] = { [4] = 29, [2] = 15 };//{ 0, 0, 15, 0, 29, 0 };
int widths[] = { [0 ... 9] = 1, [10 ... 99] = 2, [100] = 3 };
struct point p = { .y = yvalue, .x = xvalue };

范围case
```
case 'A' ... 'Z':
case 1 ... 5:
```

声明函数属性

GNU C/C++
在函数声明处添加形如：，指定函数属性
__attribute__((xxx))

alias(“target”)
alias属性导致声明作为另一个符号的别名发出

void __f () { /* Do something. */; }
void f () __attribute__ ((weak, alias ("__f")));

aligned (alignment)
对齐属性指定函数的第一条指令的最小对齐，以字节为单位, alignment必须是 an integer constant power of 2
constructor destructor constructor(priority) destructor(priority)
constructor属性会使得函数在main()之前执行；deconstructor会使得函数在main()之后或exit()之后执行，constructor priority数值越小优先级越高，deconstructor与之相反。
另外，c++的静态对象和constructor属性的函数的顺序不确定？

函数弃用报警，deprecated

__attribute__((deprecated("this function will removed in the future, please use xx instand"))) void old_fun();

noreturn

void fatal () __attribute__ ((noreturn));

void
fatal (/* … */)
{
  /* … */ /* Print error message. */ /* … */
  exit (1);
}

section (“section-name”)
默认情况下，编译器将其生成的代码放在text section。有时你需要额外的sections，将函数放置在某个sections中，section属性正是用来做这件事的
```
extern void foobar (void) __attribute__ ((section ("bar")));
```
visibility (“visibility_type”)
该属性影响链接时该函数是否可见。
四种类型：default, hidden, protected or internal visibility
- default
  默认可见性。可被其他模块、共享库可见，也意味着声明实体被覆盖。在语言中对应“外部链接”。
- hidden
  模块外部不可见

变量属性

section (“section-name”)
默认情况下，编译器将对象放在data section或bss section。

struct duart a __attribute__ ((section ("DUART_A"))) = { 0 };
struct duart b __attribute__ ((section ("DUART_B"))) = { 0 };
char stack[10000] __attribute__ ((section ("STACK"))) = { 0 };
int init_data __attribute__ ((section ("INITDATA")));

main()
{
  /* Initialize stack pointer */
  init_sp (stack + sizeof (stack));

  /* Initialize initialized data */
  memcpy (&init_data, &data, &edata - &data);

  /* Turn on the serial ports */
  init_duart (&a);
  init_duart (&b);
}

未初始化的变量放在common(or bss) section。使用section属性会更改变量进入的部分，如果未初始化的变量有多个定义，则可能导致链接器发出错误。可以使用-fno公共标志或nocommon属性强制初始化变量。

visibility (“visibility_type”)
详细定义见 声明函数属性

aligned (alignment)
alignment=power(2, x)

struct __attribute__ ((aligned (8))) S { short f[3]; };
typedef int more_aligned_int __attribute__ ((aligned (8)));

内敛汇编

asm关键字允许在C代码中内嵌汇编指令。GCC提供李彤两种格式的内嵌汇编。1.基础形式，没有operands 2.扩展形式，有operands

asm asm-qualifiers ( AssemblerInstructions )

/* Note that this code will not compile with -masm=intel */
#define DebugBreak() asm("int $3")

asm asm-qualifiers ( AssemblerTemplate 
                 : OutputOperands 
                 [ : InputOperands
                 [ : Clobbers ] ])

asm asm-qualifiers ( AssemblerTemplate 
                      : OutputOperands
                      : InputOperands
                      : Clobbers
                      : GotoLabels)

int src = 1;
int dst;   

asm ("mov %1, %0\n\t"
    "add $1, %0"
    : "=r" (dst) 
    : "r" (src));

printf("%d\n", dst);

与原子操作相关的内建函数

内存模型感知原子操作的内置函数

以下内建函数基本匹配了C++11内存模型的需求。它们都是以“__atomic”为前缀进行标识的，大多数都是重载的，因此可以与多种类型一起使用。
这些函数意在代替__sync。它们的主要不同为，内存序是作为函数的参数。
注意到，__atomic假设程序遵守C++11内存模型。尤其是程序是自由数据竞争的。详见C++11标准。
__atomic可被用于1，2，4，8字节的任意整数，16字节类型的整数__nt28也是支持的。
四个非算数运算函数(load, store, exchage, compare_exchange)也都有通用版本。通用版本工作在任意数据类型上。它使用lock-free内建函数，否则，外部调用将在运行时解决。此外部调用的格式与添加的“size_t”参数相同，该参数作为指示所指向对象大小的第一个参数插入。所有对象的大小必须相同。

有6中内存序，和C++11中的内存模型对应。一个原子操作能够同时限制code motion和映射到在线程之间同步的硬件指令。这种情况发生的程度受内存序的控制，这些顺序在这里以强度的近似升序列出。precise semantics见C++11内存模型。

__ATOMIC_RELAXED
暗示没有内部线程顺序限制。如果某个原子操作使用 relaxed 作为其 memory order，那么这个原子操作将退化为一个单纯的原子操作，不再具有线程同步节点的作用。
__ATOMIC_CONSUME
__ATOMIC_ACQUIRE
__ATOMIC_RELEASE
__ATOMIC_ACQ_REL
__ATOMIC_SEQ_CST

// 返回 *ptr 的值
type __atomic_load_n (type *ptr, int memorder)

// atomic load的通用版本，将*ptr的值加载进*ret
void __atomic_load (type *ptr, type *ret, int memorder)

// 将val写入*ptr
void __atomic_store_n (type *ptr, type val, int memorder)

// 通用版本，将*val写入*ptr
void __atomic_store (type *ptr, type *val, int memorder)

// 原子交换操作，先返回*ptr的值，再将val写入*ptr
type __atomic_exchange_n (type *ptr, type val, int memorder)

// 通用版本，*ret=*ptr, *ptr=*val
void __atomic_exchange (type *ptr, type *val, type *ret, int memorder)

// 类似：{ *ptr op= val; return *ptr; }
// { *ptr = ~(*ptr & val); return *ptr; } // nand
// ptr指向的type对象必须是 整数或者指针类型，不能是布尔类型，支持所有内存模型
Built-in Function: type __atomic_add_fetch (type *ptr, type val, int memorder)
Built-in Function: type __atomic_sub_fetch (type *ptr, type val, int memorder)
Built-in Function: type __atomic_and_fetch (type *ptr, type val, int memorder)
Built-in Function: type __atomic_xor_fetch (type *ptr, type val, int memorder)
Built-in Function: type __atomic_or_fetch (type *ptr, type val, int memorder)
Built-in Function: type __atomic_nand_fetch (type *ptr, type val, int memorder)

// 类似：{ tmp = *ptr; *ptr op= val; return tmp; }
// { tmp = *ptr; *ptr = ~(*ptr & val); return tmp; } // nand
Built-in Function: type __atomic_fetch_add (type *ptr, type val, int memorder)
Built-in Function: type __atomic_fetch_sub (type *ptr, type val, int memorder)
Built-in Function: type __atomic_fetch_and (type *ptr, type val, int memorder)
Built-in Function: type __atomic_fetch_xor (type *ptr, type val, int memorder)
Built-in Function: type __atomic_fetch_or (type *ptr, type val, int memorder)
Built-in Function: type __atomic_fetch_nand (type *ptr, type val, int memorder)

// 先测试*(char*)ptr是否非空。再将其置为非空，最后返回先前的值。 ptr应当指向bool或者bool类型
bool __atomic_test_and_set (void *ptr, int memorder)

// 原子清除*ptr, *ptr=0, ptr应当指向bool或char类型
void __atomic_clear (bool *ptr, int memorder)

//  acts as a synchronization fence between threads based on the specified memory order.
void __atomic_thread_fence (int memorder)

// acts as a synchronization fence between a thread and signal handlers based in the same thread.
void __atomic_signal_fence (int memorder)

// ???
bool __atomic_always_lock_free (size_t size, void *ptr)
// ???
bool __atomic_is_lock_free (size_t size, void *ptr)

使用溢出检查执行算术的内置函数

以下内置函数允许执行简单的算术运算，同时检查运算是否溢出。

bool __builtin_add_overflow (type1 a, type2 b, type3 *res)
bool __builtin_sadd_overflow (int a, int b, int *res)
bool __builtin_saddl_overflow (long int a, long int b, long int *res)
bool __builtin_saddll_overflow (long long int a, long long int b, long long int *res)
bool __builtin_uadd_overflow (unsigned int a, unsigned int b, unsigned int *res)
bool __builtin_uaddl_overflow (unsigned long int a, unsigned long int b, unsigned long int *res)
bool __builtin_uaddll_overflow (unsigned long long int a, unsigned long long int b, unsigned long long int *res)

Built-in Function: bool __builtin_sub_overflow (type1 a, type2 b, type3 *res)
Built-in Function: bool __builtin_ssub_overflow (int a, int b, int *res)
Built-in Function: bool __builtin_ssubl_overflow (long int a, long int b, long int *res)
Built-in Function: bool __builtin_ssubll_overflow (long long int a, long long int b, long long int *res)
Built-in Function: bool __builtin_usub_overflow (unsigned int a, unsigned int b, unsigned int *res)
Built-in Function: bool __builtin_usubl_overflow (unsigned long int a, unsigned long int b, unsigned long int *res)
Built-in Function: bool __builtin_usubll_overflow (unsigned long long int a, unsigned long long int b, unsigned long long int *res)

Built-in Function: bool __builtin_mul_overflow (type1 a, type2 b, type3 *res)
Built-in Function: bool __builtin_smul_overflow (int a, int b, int *res)
Built-in Function: bool __builtin_smull_overflow (long int a, long int b, long int *res)
Built-in Function: bool __builtin_smulll_overflow (long long int a, long long int b, long long int *res)
Built-in Function: bool __builtin_umul_overflow (unsigned int a, unsigned int b, unsigned int *res)
Built-in Function: bool __builtin_umull_overflow (unsigned long int a, unsigned long int b, unsigned long int *res)
Built-in Function: bool __builtin_umulll_overflow (unsigned long long int a, unsigned long long int b, unsigned long long int *res)

以下函数与__builtin_add_overflow, __builtin_sub_overflow, or __builtin_mul_overflow相似，除了，它们不存储运算结果。

bool __builtin_add_overflow_p (type1 a, type2 b, type3 c)
bool __builtin_sub_overflow_p (type1 a, type2 b, type3 c)
bool __builtin_mul_overflow_p (type1 a, type2 b, type3 c)

例如，以下宏可用于在编译时便携式检查添加两个常量整数是否会溢出，并仅在已知安全且不会触发-Woverflow警告的情况下执行添加。

#define INT_ADD_OVERFLOW_P(a, b) \
   __builtin_add_overflow_p (a, b, (__typeof__ ((a) + (b))) 0)

enum {
    A = INT_MAX, B = 3,
    C = INT_ADD_OVERFLOW_P (A, B) ? 0 : A + B,
    D = __builtin_add_overflow_p (1, SCHAR_MAX, (signed char) 0)
};

- xxx

函数名作为字符串
GCC提供三个magic constants用以持有当前函数名的字符串
__func__ : C99标准的一部分
__FUNCTION__ ：是__func__的另一个名称，用于与旧版本的GCC向后兼容。
__PRETTY_FUNCTION__ ：__func__的另一个名字，在C++中包含了函数签名

extern "C" int printf (const char *, ...);

class a {
 public:
  void sub (int i)
    {
      printf ("__FUNCTION__ = %s\n", __FUNCTION__);
      printf ("__PRETTY_FUNCTION__ = %s\n", __PRETTY_FUNCTION__);
    }
};

int
main (void)
{
  a ax;
  ax.sub (0);
  return 0;
}

获取函数的返回地址或帧地址
void * __builtin_return_address (unsigned int level)

二、GCC C++语言扩展

interface和 pragmas

#pragma para

https://www.cnblogs.com/zhoug2020/p/6616942.html
https://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc-11.4.0/gcc/C_002b_002b-Interface.html

Template

C++ 是 language feature

二、预处理过程及其指令

预处理过程

1. 字符集转换

将文件转换为用于内部处理的字符集。

2. Initial processing

执行一系列文本转换。

读取文件到内存并分行
GCC将LF, CR LF 和 CR作为行结束标识。
The C standard says that this condition provokes undefined behavior, so GCC will emit a warning message.似乎并没有警告

三字符转换(添加 -trigraphs 选项)（默认 -Wtrigraphs）

Trigraph:       ??(  ??)  ??<  ??>  ??=  ??/  ??'  ??!  ??-
Replacement:      [    ]    {    }    #    \    ^    |    ~

连续行合并
以为 \结尾的行与下一行合并。
\和`换行符之间不能有任何空格，否则预处理器会报错
所有注释替换为单个空格

/\
*
*/ # /*
*/ defi\
ne FO\
O 10\
20

3. token化和

#define foo() bar
foo()baz
     → bar baz
not
     → barbaz
    
a+++++b
	→ a ++ ++ + b

预处理标记分为五大类：标识符、预处理数字、字符串文字、标点符号和其他。标识符与C中的标识符相同：任何以字母或下划线开头的字母、数字或下划线序列。C的关键字对预处理器没有意义；它们是普通的标识符。例如，可以定义名称为关键字的宏。定义了可以被视为预处理关键字的唯一标识符。

4. 预处理语言

token化后，tokens流可能会被直接传输给 compiler’s parser。然后，如果包含预处理语言，则会先进行转换。这是大多数人认为的预处理器的工作。

预处理语言由要执行的指令和要扩展的宏组成。：

包含头文件。这些是可以替换到程序中的声明文件。
宏展开。您可以定义宏，宏是C代码任意片段的缩写。预处理器将在整个程序中用宏的定义替换宏。某些宏是自动为您定义的。
条件编译。您可以根据各种条件包括或排除程序的各个部分。
线路控制。如果使用程序将源文件组合或重新排列为中间文件，然后进行编译，则可以使用行控制来通知编译器每个源行的原始来源。
诊断。您可以在编译时检测问题并发出错误或警告。

头文件

#include <file>  // 除comment之外的所有字符都是非法的

用于系统头文件。在系统目录的标准列表中搜索该文件。可以使用-I选项将目录前置到此列表中。

#include "file"

此变体用于您自己程序的头文件。它首先在包含当前文件的目录中搜索名为file的文件，然后在引号目录中搜索，然后在用于＜file＞的相同目录中搜索。您可以使用-iquote选项将目录前置到引号目录列表中。

header.h

#include "header.h"
// 无限include

搜索路径：
如果/a/b/c.h中包含#include"h1.h"则GCC首先会从/a/b/目录下搜索h1.h

standard system directories

cpp -v /dev/null -o /dev/null

宏命令

#define X 1
#undef

带宏参数

#define WARN_IF(EXP) \
do { if (EXP) \
        fprintf (stderr, "Warning: " #EXP "\n"); } \
while (0)
WARN_IF (x == 0);
     → do { if (x == 0)
           fprintf (stderr, "Warning: " "x == 0" "\n"); } while (0);

字符串化

#define xstr(s) str(s)
#define str(s) #s
#define foo 4
str (foo)
     → "foo"
xstr (foo)
     → xstr (4)
     → str (4)
     → "4"

连接

#define COMMAND(NAME)  { #NAME, NAME ## _command }

struct command commands[] =
{
  COMMAND (quit),
  COMMAND (help),
  …
};

	->
		struct command commands[] =
		{
		  { "quit", quit_command },
		  { "help", help_command },
		  …
		};

具有可变参数的宏

标准预定义宏

__FILE__  // string
__LINE__  //  int  #line num 会重置该值
__func__  // string
__DATE__  // string compile time
__TIME__  // string compile time

__cplusplus  // C++ language macro

comman predefined macros

https://gcc.gnu.org/onlinedocs/cpp/Common-Predefined-Macros.html

条件

#ifdef MACRO

controlled text

#endif /* MACRO */

#if expression
	controlled text
#endif /* expression */

#if expression
	text-if-true
#else /* Not expression */
	text-if-false
#endif /* Not expression */

#if X == 1
	…
#elif X == 2
	…
#else /* X != 2 and X != 1*/
	…
#endif /* X != 2 and X != 1*/

#if defined (__vax__) || defined (__ns16000__)

#ifdef __vax__
#error "Won't work on VAXen.  See comments at get_last_object."
#endif

#if !defined(FOO) && defined(BAR)
#error "BAR requires FOO."
#endif

xx

_Pragma ("GCC dependency \"parse.y\"")

#define DO_PRAGMA(x) _Pragma (#x)
DO_PRAGMA (GCC dependency "parse.y")

如果某个头文件中有#pragma once，该文件只会在C文件中出现一次
#gragma pack(<opt:pow(2, x>)指定后续结构体内存对齐的字节数

experiment

spin lock, sleep lock

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <iostream>
#include <thread>

using namespace std;


int a;
unsigned char atomic_int = 0;

void* call_fun(void*)
{
    
    for (size_t i = 0; i < 100000; i++)
    {
        while (__atomic_exchange_n(&atomic_int, 1, __ATOMIC_RELAXED) != 0)
        {
            sched_yield();  // sleep lock if true
        }
        
        ++a;
        usleep(1);
        // std::cout << "this is a:" << a << " endl" << std::endl;

        __atomic_clear(&atomic_int, __ATOMIC_RELAXED);
    }
    return NULL;
}

class spin_lock
{
private:
    unsigned char atom_char;
public:
    spin_lock(/* args */): atom_char(0) {}
    ~spin_lock() {}
    void lock()
    {
        while (__atomic_exchange_n(&atom_char, 1, __ATOMIC_RELAXED) != 0);
    }
    void unlock()
    {
        __atomic_clear(&atom_char, __ATOMIC_RELAXED);
    }
};

class sleep_lock
{
private:
    spin_lock sp_lock;
    unsigned char locked;
public:
    sleep_lock(/* args */): locked(0) {}
    ~sleep_lock() {}
    void lock()
    {
        sp_lock.lock();
        while (locked)
        {
            sp_lock.unlock();
            sched_yield();
            sp_lock.lock();
        }
        locked = 1;
        sp_lock.unlock();        
    }
    void unlock()
    {
        sp_lock.lock();
        locked = 0;
        sp_lock.unlock();
    }
};

class direct_sleep_lock
{
private:
    unsigned char atom_char;
public:
    direct_sleep_lock(/* args */): atom_char(0) {}
    ~direct_sleep_lock() {}
    void lock()
    {
        while (__atomic_exchange_n(&atom_char, 1, __ATOMIC_RELAXED) != 0)
        {
            sched_yield();
        }
    }
    void unlock()
    {
        __atomic_clear(&atom_char, __ATOMIC_RELAXED);
    }
};

direct_sleep_lock lock;
void* call_fun2(void*)
{
    for (size_t i = 0; i < 100000; i++)
    {
        lock.lock();
        ++a;
        usleep(1);
        lock.unlock();
    }
    return NULL;
}

int main()
{
    pthread_t ths[5];
    for (size_t i = 0; i < sizeof(ths)/sizeof(ths[0]); i++)
    {
        pthread_create(ths+i, NULL, call_fun2, NULL);
    }
    for (size_t i = 0; i < sizeof(ths)/sizeof(ths[0]); i++)
    {
        pthread_join(ths[i], NULL);
    }

    printf(".....a = %d\n", a);

}

原子操作与内存序

std::atomic<int> a;
std::atomic<int> b;
int x = 0;
int y = 0;

int main()
{
  std::thread th1([&]{ a.store(1); x = b.load(); });
  std::thread th2([&]{ b.store(1); y = a.load(); });
  th1.join(); th2.join();
}

x.load(std::memory_order_aqcquire);
x.store(1, std::memory_order_release);
x.fetch_add(1, std::memory_order_acq_rel);

reference

在线文档：https://gcc.gnu.org/onlinedocs/

C++11内存模型：https://www.cnblogs.com/dream397/p/17763965.html

preprocesser https://gcc.gnu.org/onlinedocs/cpp/

GCC扩展功能、函数，预处理命令

文章目录

前言

一、GCC C语言扩展

声明函数属性

变量属性

内敛汇编

与原子操作相关的内建函数

内存模型感知原子操作的内置函数

使用溢出检查执行算术的内置函数

- xxx

二、GCC C++语言扩展

interface和 pragmas

Template

二、预处理过程及其指令

预处理过程

1. 字符集转换

2. Initial processing

3. token化和

4. 预处理语言

头文件

宏命令

标准预定义宏

comman predefined macros

条件

xx

experiment

原子操作与内存序

reference